周穎琦++趙瑩++王晶瑩

摘 要：研究表明，能力的形成是由智力、技能、認知結(jié)構(gòu)（知識+科學(xué)方法）構(gòu)成的。因此，在課堂中教師不僅要做到傳授知識，還要強調(diào)學(xué)生的自主思考。以“多普勒效應(yīng)”為例，基于核心素養(yǎng)來設(shè)計本課，使學(xué)生既可以透徹地掌握知識，又可以積極參與到課堂中來。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；多普勒效應(yīng)；教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）8-0067-4

1 核心素養(yǎng)

21世紀以來，科技的進步使人們步入了“知識社會”時代。知識的習得與再現(xiàn)不再是教育的根本目標，甚至電子計算機也能做到學(xué)習運用習得的知識。時代的要求促使教育更加注重“創(chuàng)造性”人才的培養(yǎng)。各個國家和地區(qū)相繼出臺了改革策略，例如美國的“STEM課程”、蘇格蘭的“卓越課程”、日本“21世紀型能力”的提出都強調(diào)了新時代的學(xué)力與學(xué)習面臨轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。

在此環(huán)境下，我國的教育也隨著社會的發(fā)展和新時代的要求不斷地改進著。“核心素養(yǎng)體系”概念的首次提出是在教育部2014年印發(fā)的《關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見》中，這是我國教育從教書走向育人的重要突破?？v觀我國課程改革的歷史，從傳統(tǒng)的重視“雙基”，即基礎(chǔ)知識與基本技能，到三維目標的提出，即知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度價值觀，再到核心素養(yǎng)，是一個從教育測量時代到評價時代再到矯正教育評價時代的過程。在這個過程中，人們意識到知識教學(xué)要“夠用”，但不能“過度”，因為知識教學(xué)過度會導(dǎo)致學(xué)生想象力和創(chuàng)造力發(fā)展受阻。只有找到人發(fā)展的“核心素養(yǎng)體系”，才能解決好有限與無限的矛盾，只有找到對學(xué)生終身發(fā)展有益的“DNA”，才能在給學(xué)生打下堅實知識技能基礎(chǔ)的同時，又為未來發(fā)展預(yù)留足夠的空間。

具體到物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，物理課程標準修訂組認定學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“實驗探究”和“科學(xué)態(tài)度與責任”組成。需要強調(diào)的是，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)并非以單純的知識技能獨立于其他學(xué)科而存在，而需要學(xué)生在學(xué)習物理的同時學(xué)會與其他教學(xué)科目的“協(xié)同”“溝通”“表現(xiàn)”，能夠運用各門學(xué)科的內(nèi)容進行思考、判斷。具體到物理教學(xué)中，教師應(yīng)在充分理解知識的前提下將學(xué)科核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為課堂教學(xué)的內(nèi)容標準，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造力，尊重學(xué)生個性來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習。

下面將以人教版《物理》選修3-4第十二章《機械波》第5小節(jié)《多普勒效應(yīng)》為例，展示核心素養(yǎng)在教學(xué)中的體現(xiàn)。

2 教學(xué)設(shè)計

由于多普勒效應(yīng)并非考試重點，一般教師在教學(xué)中僅要求學(xué)生了解什么是多普勒效應(yīng)及其在測量速度等中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的“多普勒效應(yīng)”教學(xué)設(shè)計分為三個環(huán)節(jié)：首先教師以在車站聽到汽車鳴笛的笛聲變化引發(fā)學(xué)生思考，引出多普勒效應(yīng)現(xiàn)象，然后教師對多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象和成因進行推導(dǎo)解釋，最后講解多普勒效應(yīng)在生活中的應(yīng)用。

但是，《高中課程標準》中“多普勒效應(yīng)”的內(nèi)容標準為：通過實驗感受多普勒效應(yīng)，解釋多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因；列舉多普勒效應(yīng)的應(yīng)用實例。可以看出多普勒效應(yīng)在知識上雖然不是高考的重點考查內(nèi)容，但在課標要求中對其中物理思想的解讀，實驗探究的過程極其重視。因此，本課學(xué)習是一個通過實驗探究提高學(xué)生對物理思想、物理探究過程認識的好機會。

因此，基于核心素養(yǎng)對學(xué)生學(xué)習物理的要求，筆者的教學(xué)設(shè)計如下：

2.1 經(jīng)驗引入，激發(fā)興趣

通過播放火車一邊行駛一邊鳴笛的音頻，提出相關(guān)問題，激發(fā)學(xué)生的興趣。

2.2 新舊聯(lián)系，溫故知新

回顧聲音的產(chǎn)生、傳播和三個特性，思考如何判斷火車與人的相對運動關(guān)系。

2.3 回顧歷史，引起思考

通過多普勒發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、深入思考分析的歷史史實以及后人對多普勒的評價引導(dǎo)學(xué)生認識物理現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的歷程和方法，引發(fā)學(xué)生對生活中物理現(xiàn)象的思考。

2.4 親自體驗，歸納本質(zhì)

通過教材中給出的隊列勻速經(jīng)過觀察者，觀察者相對隊列運動的活動讓學(xué)生親自體驗相對運動時會發(fā)生的變化。從理論上論證產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的本質(zhì)原因。

2.5 演示實驗，細化分析

學(xué)生觀察演示實驗，運用音頻軟件細化分析。對比發(fā)生相對運動對響度及頻率的變化。

2.6 歸納總結(jié)，重視方法

教師帶領(lǐng)總結(jié)規(guī)律，歸納實驗中運用的思想和方法。給出計算公式進行驗證分析。

2.7 反思實驗，實際應(yīng)用

學(xué)生運用公式計算課堂演示實驗中接收者接受到的頻率范圍。教師強調(diào)相同效果的兩種現(xiàn)象的本質(zhì)區(qū)別。教師介紹多普勒效應(yīng)在生活中的應(yīng)用，鼓勵學(xué)生用學(xué)會的知識解決實際問題。

其中，第5、6、7步為本節(jié)課的重點，主要解決了傳統(tǒng)教學(xué)的3個問題。

問題1：

傳統(tǒng)教學(xué)引入實驗的實施方法是：在課堂中教師使聲源與接收者（即學(xué)生）發(fā)生相對運動，讓學(xué)生體會音調(diào)的變化。一般以長線連接聲源，教師在講臺前垂直學(xué)生方向轉(zhuǎn)動長線，長線帶動聲源發(fā)生與接收者（即學(xué)生）的相對運動。這種方法巧妙地將看不到的聲波的頻率變化轉(zhuǎn)變成了可以感知到的音調(diào)的變化。但不足之處在于聲源與接收者的相對運動過程中響度和音調(diào)同時變化，對音調(diào)不敏感的同學(xué)很容易將兩者弄混。如何將兩者進行區(qū)分以突出音調(diào)的變化呢？

針對問題1，本課采用自制實驗教具（如圖1所示）。將電機與橫桿相連，在相應(yīng)電壓的驅(qū)動下使電機帶動橫桿進行轉(zhuǎn)動。在橫桿的一端設(shè)置聲源，可用藍牙m(xù)p3和擴音器組成，通過Frequency-Generator等軟件即可發(fā)出頻率穩(wěn)定且可調(diào)的聲音。接通電源，橫桿會在電機的帶動下轉(zhuǎn)動起來。橫桿末端固定聲源以一定速率靠近或遠離學(xué)生。

首先播放頻率為440 Hz的音樂，讓學(xué)生感受穩(wěn)定頻率并且沒有相對運動時的音效。然后閉合開關(guān)，仍播放頻率為440 Hz的音樂。橫桿在電機的帶動下轉(zhuǎn)動，發(fā)聲器處于橫桿末端，相對接收者（電腦和學(xué)生）發(fā)生相對運動。要求學(xué)生閉上眼睛，試著判斷橫桿何時轉(zhuǎn)向自己，何時背離自己。endprint

接著，提問學(xué)生：你可以判斷出桿何時轉(zhuǎn)向我們，何時背離我們么？怎么判斷出來的？橫桿靜止和轉(zhuǎn)動起來的時候我們聽到的聲音有什么不同？

接著針對區(qū)分音調(diào)和響度的變化采用Adobe Audition CS6進行聲音的采集和分析。這是一款常見的音頻制作軟件。其特點是可以將音頻時間軸橫向放大直至可以看到清晰的波形，縱向放大可以調(diào)整音頻響度大小。

課堂上一邊進行實驗，一邊錄制好橫桿轉(zhuǎn)動時聲源與接收者（電腦）相對運動的音頻。采用波形縱向放大功能將音頻曲線的振幅調(diào)成相同大小，再讓學(xué)生感受。此過程解決了學(xué)生以為依據(jù)響度變化判斷出運動方向的錯誤認識。

問題2：

會有學(xué)生提出在教室的實驗現(xiàn)象不如課堂引入時播放的“火車鳴著汽笛從錄音者身邊飛馳而過”的音頻中聽到的聲音變化現(xiàn)象明顯。如何合理解決這一問題？

針對問題2，我們首先應(yīng)該向?qū)W生證明在課堂中模擬的實驗接收者接收到的音頻同樣發(fā)生了頻率的變化。具體做法如下：

通過Adobe Audition CS6的音頻橫向放大功能展示錄制音頻的頻率曲線。比較聲源與接收者（電腦）“靜止”與“相對運動”時音頻的頻率。分別比較當橫桿靠近接收者時，頻率變高（圖2），當橫桿遠離接收者時頻率變低（圖3）兩種情況。

以上，學(xué)生既從聽覺上感受到了聲源與接收者相對運動時聲音的變化，又從視覺上“看”到了頻率的變化。

接著應(yīng)重點引導(dǎo)學(xué)生分析、解釋為什么會出現(xiàn)現(xiàn)象不明顯的問題，由實驗推及理論。具體實施方法如下：教師給出接收者接受到的頻率公式 f'=■f，其中f'為接收到的頻率；f為發(fā)聲源于該介質(zhì)中的原始發(fā)聲頻率，v為波在該介質(zhì)中的行進速度，vs為發(fā)聲源移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為 - 號，反之則為 + 號。經(jīng)測量，橫梁長1.2米，轉(zhuǎn)速為每分鐘73轉(zhuǎn)。因此，學(xué)生可將已知量帶入公式，得到

f'■=■f=■×440≈434 Hz

f'■=■f=■×440≈446 Hz

由此可知，聽到的頻率范圍為434 Hz～446 Hz，不足半個音高，因此音調(diào)變化不明顯。

問題3：

傳統(tǒng)的教學(xué)僅僅指出了當波源相對靠近或遠離接收者時接收者接收到頻率發(fā)生變化的兩種現(xiàn)象。然而，多普勒效應(yīng)“相對靠近（或遠離）”仍可分為兩種情況，即波源靜止，接收者靠近（或遠離）波源運動；接收者靜止，波源靠近（或遠離）接收者運動。兩種情況有區(qū)別么？

在課堂中教師應(yīng)明確講解兩種情況的區(qū)別。從物理意義理解的角度，多普勒效應(yīng)是接收者接收到的頻率比波源實際頻率高或低的現(xiàn)象。其接收頻率數(shù)值上等于單位時間內(nèi)接收者接收到的波的周期數(shù)。若接收者相對于介質(zhì)靜止，他所接收到的頻率就是波的頻率。當波源向著接收者運動時，波源所發(fā)生的相鄰兩個同相振動狀態(tài)是在不同的地點發(fā)出的，要比它靜止時這兩個相同振動狀態(tài)的空間距離短一些，即波的波長變短。相應(yīng)地，接收者在單位時間內(nèi)接收到的波的周期數(shù)增多，即接收者接收到的頻率變高。若波源相對于介質(zhì)靜止，則波的波長不變。當接收者向著波源運動時，接收者在單位時間內(nèi)接收到的波的周期數(shù)比靜止時接收得多。因此，接收到的波的周期數(shù)增加而頻率變高。綜上所述，前者是由于壓縮波長而增加的波的周期數(shù)，后者是由于接收者向著波源運動而多接收的波的周期數(shù)，兩者物理機制不一致。從公式計算上也可以看到不同，這里不再贅述。

3 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計評價

本教學(xué)設(shè)計較好地體現(xiàn)了物理核心素養(yǎng)的提升目標。

從物理觀念的角度，本教學(xué)設(shè)計以觀察者相對隊列運動的活動讓學(xué)生形成了相對運動的觀念，并能由教師引導(dǎo)抽象出對聲波的運動及相對運動的基本認識。能運用其解釋課堂中感知到的隊列運動中聲音的相對變化，從而描述多普勒效應(yīng)現(xiàn)象。

從科學(xué)思維的角度，本教學(xué)設(shè)計基于學(xué)生的生活經(jīng)驗事實，由教師引導(dǎo)學(xué)生將聲源和接收者抽象為質(zhì)點從而建構(gòu)理想模型進行理論分析、推理。當實驗現(xiàn)象出現(xiàn)不足時引導(dǎo)學(xué)生基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對結(jié)論進行質(zhì)疑，進而提出創(chuàng)造性的解決方法。增強了學(xué)生使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力，使學(xué)生具有批判性思維，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑。引導(dǎo)學(xué)生正確運用控制變量法等科學(xué)思維方法，并通過軟件輔助分析，從定性和定量兩方面對接收者接收到的頻率變化進行分析，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論的過程，很好地解釋了多普勒效應(yīng)這一自然規(guī)律。鼓勵學(xué)生從不同角度思考問題，運用科技解決問題，追求科技創(chuàng)新。

從實驗探究的角度，引導(dǎo)學(xué)生提出物理問題，如聲音發(fā)生了哪些變化？為什么會發(fā)生這樣的變化？為什么在教室的實驗現(xiàn)象不如課堂引入時播放的“火車鳴著汽笛從錄音者身邊飛馳而過”的音頻中聽到的現(xiàn)象明顯？從而使學(xué)生體會實驗探究的過程，即形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并進行解釋，以及對實驗探究過程和結(jié)果進行交流、評估和反思。

很多教師害怕在課上的演示實驗效果不明顯會影響學(xué)生對現(xiàn)象的觀察，故而當實驗出現(xiàn)一些不遂人愿的問題時會回避或者不予理會。但其實抓住在教室實驗現(xiàn)象不明顯這一問題，引導(dǎo)學(xué)生分析探究，將所學(xué)知識運用其中，進而思考如何去解決這一問題更有利于學(xué)生對知識的掌握。在這個過程中，學(xué)生不僅可以自主分析實驗，加強了對實驗原理、實驗過程的理解，還會自主思考，尋找優(yōu)化思路，互相交流和啟發(fā)，不知不覺將課堂的學(xué)習延伸至課外繼續(xù)思考。教師也可以受到學(xué)生的啟發(fā)，與學(xué)生一起討論。這個過程也使學(xué)生認識到實驗并非一開始就是一帆風順的，當遇到問題時，要積極正面地面對，利用理論進行分析，找到問題的原因再想方設(shè)法解決問題。這才是學(xué)習、探究知識的真正過程。

從科學(xué)態(tài)度與責任的角度，本教學(xué)設(shè)計通過生活常識和聲音對比使學(xué)生對現(xiàn)象先有了初步的認識。再通過理論分析明確多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因和本質(zhì)。最后通過在教室中模擬實驗，對音頻圖像的分析處理，進一步認識多普勒效應(yīng)中波的頻率變化。學(xué)生在此過程中，有獨立的思考、有親自的實踐、有合作的交流，強調(diào)了學(xué)生的感悟、體驗和實踐。不僅激發(fā)了學(xué)生的好奇心和求知欲，更在探究過程中體現(xiàn)了基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，實事求是，不迷信權(quán)威的思想。同時，課堂演示實驗的進行以實驗安全為第一要務(wù)。選擇2020鋁型材制作橫桿，固定方便、牢固；選用無線接收裝置方便控制；橫桿兩側(cè)適當配重以保證重心位于電機軸的中心，保護電機。這些細節(jié)無不體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系，使學(xué)生在學(xué)習的過程中不忘實驗的安全原則。

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（欄目編輯 鄧 磊）endprint